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微型电动车车架结构分析与优化设计 第18卷第6期 2010年11月 河南机电高等专科学校 JournalofHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege Vo1.18№.6 NOV.2Ol0 微型电动车车架结构分析与优化设计 赵向阳,苏晨 (河南机电高等专科学校汽车工程系,河南新乡453000) 摘要:汽车车架作为汽车联结各种零部件的基体,承载着来自路面和其他部件的各种复杂载荷的作用,其刚度与 强度对汽车整体设计起到重要作用.对车架进行改型设计是产品优化改进的一个重要部分.文章基于三维设计 软件UG和有限元分析软件Ansys,对微型电动车车架结构性能进行了分析,并在满足强度和刚度的条件下,对车 架结构进行了优化设计,开发出一种适合各种路面行驶的新型电动车车架结构. 关键词:微型电动车;车架;结构分析;优化 中图分类号:U463.32文献标识码:A文章编号:1008—2093(2010)06—0017一O3 1引言 优化设计作为一门新兴技术在现代汽车设计中 得到了广泛的应用.最优化是现代工程产品设计的 目标¨J.根据性能需要合理地选择方案,以获得最佳 效果.通常情况下设计时为了保证汽车的安全性,车 架的设计刚度强度都远远大于安全规定.虽然保证 了安全性,却带来了油耗增加,噪音变大,厂家耗材多 等一系列问题J.本文主要介绍微型电动车车架的 优化设计.整个四轮驱动微型电动车的设计,分析与 优化是基于三维设计软件UG和有限元分析软件An— sys进行的.车架设计采用了适合于电动车承载特点 的双层车架,分析了车架的静态强度和刚度,并在满 足强度和刚度的条件下对车架结构进行了优化设计, 开发出一种适合各种路面行驶的新型电动车车架结 构,目的是在保证汽车安全性能的同时进一步减轻车 架质重. 2微型电动车车架结构 2.1车架布置与结构设计 整个四轮驱动微型电动车的车架结构及动力系 统布置方案如图1所示. 图l车架结构及动力系统布置方案 根据纵梁的结构特点,车架可以分为周边式,x 形式,梯形,脊梁式和综合式几种.其中梯形车架又 称为边梁式车架,是比较常用的一种车架j.为保证 四轮驱动轿车和悬架的空间尺寸要求,车架采用空间 脊梁式结构.这种结构保证了车架具有较大的扭转 刚度,又容许车轮有较大的跳动空间.四根直杆成梯 形状排列,以满足双横臂独立悬架上下横臂不等长的 要求.在车架中部拓展出双层的框架结构,用于支撑 车身部件及动力系统总成. 该车采用双横臂扭杆弹簧悬架.弹簧悬架布置 在车架上平面,与双横臂独立悬架的较短的上横臂相 连,可以减少其传给车架的集中载荷. 车架材料为异形钢管型材,成本低,加工方便. 初选异形钢管型材尺寸30mmx30mm×1.5mm,在悬 架连接处为40m/n×40mm×2mm. 2.2车架结构分析 根据车架的几何特点,利用Ansys软件的梁单元 建立车架模型,此模型有758个节点,812个单元,如 图2所示. 图2微型电动车车架有限元模型 +收稿日期:2010—10.19 作者简介:赵向阳(1981一),男,河南洛阳人,助教,主要从事汽车电子和检测技术研究. 17 河南机电高等专科学校2010年6期 扭杆弹簧有结构紧凑,单元质量储能大,非簧载 质量小,便于调节的特点,因此在汽车上有很大的应 用前景J.对于采用扭杆弹簧作为悬架弹性件的车 架,车架模型的加载及约束处理与其他悬架形式的模 拟方法不同.分析上,下横臂的安装方式和扭杆弹簧 传力特点可以发现:由于扭杆弹簧装于上横臂,地面 垂直反力通过车轮,上横臂转变成扭矩传到扭杆弹 簧.该扭矩由安装于车架的扭杆弹簧另一端的调节 臂来平衡.因此,车架不但在悬架上横臂处承受垂直 方向的作用力,而且在扭杆弹簧调节臂两端也承受垂 直方向的作用力. 车架弯曲和弯扭组合工况的约束如表1所示. 考虑座椅和乘客载荷,并考虑动载系数2.5,车架两种 工况载荷和约束分别如图3,4所示. 表l车架弯曲和弯扭组合工况的约束 图3弯曲工况载荷分布图 图4弯扭组合工况载荷分布图 车架弯曲和弯扭工况结构分析结果如图5,6所 示.由图中可知,弯曲工况的最大应力发生在车架中 部的扭杆弹簧平衡臂的内安装点处,最大应力约为 126MPa.此处除了安装有电池之外,还有扭杆弹簧的 作用,载荷较集中.扭转工况由于右后轮悬空,应力 集中在后悬架下横臂后支点处最大应力约为148 MPa.所选车架异形钢管材料为Q235,其屈服强度为 235MPa.可见,初步设计车架方案是满足强度要求 的;但车架总重量约为55kg,为达到车架轻量化的要 求,应该在考虑强度和刚度的同时进行车架结构优化 设计. l8 图5弯曲工况应力分布图 图6弯扭组合工况应力分布图 3微型电动车车架优化设计 3.1优化设计